防火涂料对Q345钢高温力学性能影响的试验研究

徐文毅

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)



●消防理论研究

防火涂料对Q345钢高温力学性能影响的试验研究

徐文毅

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

采用恒载升温试验方法，研究了有、无喷涂防火涂料Q345钢的高温力学性能随时间的变化规律。结果表明：未喷涂防火涂料钢在400 ℃、500 ℃、600 ℃时临界载荷水平k分别为0.60,0.55,0.30，钢变形速率增大起决定作用的是耦合变形，且载荷越大，温度越高，耦合变形越大；喷涂防火涂料钢的膨胀变形和耦合变形相对减小，改善了钢的安全性。

Q345钢；防火涂料；恒载升温；高温力学性能

0 引言

钢结构因其高强轻质、抗震好、施工快等优点而广泛用于建筑结构中，但其致命弱点是耐火性能差[1-3]。据统计,火灾中未加保护的裸露钢结构历经15～20 min即会发生倒塌破坏，给灭火工作和人员疏散造成极大困难[4]。为提高钢结构的耐火性能，工程上常将其喷涂防火涂料加以保护。目前国内、外对单根裸露钢构件的高温力学性能和防火涂料的阻燃机理及性能研究较多，也取得了一定研究成果，但防火涂料对钢构件高温力学性能的影响研究较少，有关该研究的相应数据不多[5-6]。为此，采用恒载升温的试验方法研究防火涂料对Q345钢高温力学性能的影响，为钢结构耐火设计及防火涂料防护效果的定量研究提供参考。

1 试验内容

1.1 试验设备及材料

试验设备由WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机、加热和温度控制及特制的电子引伸计组成。万能试验机最大加载能力1 000 kN，控制精度为±1%，加热温控系统配有TL-1000筒式高温炉，炉室内部直径为80 mm，恒温区长度为350 mm，最高升温达1 000 ℃，控温精度为±1 ℃。电子引伸计是由北京钢铁研究总院定做的，左右两侧各安装一个应变片，变形值取二者的平均值，测量标距为500 mm，最大量程为25 mm，精度0.78%。试验设备如图1所示。试件选材为国产Q345结构用钢，形状与尺寸如图2所示。

图1 加载升温及变形测量装置

图2 试件形状与尺寸

试验按图3所示升温速率进行加温。高温炉内测量的空气温度达600 ℃时所需最大升温时间约为10 min。为保证试件内外均温，未喷涂防火涂料试件达目标温度后需保持恒温15 min左右，喷涂防火涂料试件的恒温时间应再延长10 min左右。

图3 高温炉升温速率

1.2 试验过程

取18根试件分3组进行试验，其中2根进行常温力学性能试验，确定Q345钢的常温屈服强度；8根已喷涂0.5 mm薄型防火涂料和8根未喷涂试件分别进行恒载升温试验。建立数据文件后将试件置于加热炉内，夹紧试件上端；密封炉口，安装应变仪；夹紧下端，以0.5 kN·s-1的加载速度加载到预定载荷水平，保持该载荷不变升温到预先设定温度，恒温一段时间停止试验，由于恒载升温试验的应力-应变曲线不能直接反映强度，只能根据变形-时间曲线判断试件屈服强度的近似临界值[7]。目标温度设计为400 ℃、500 ℃、600 ℃三个水平，因钢的承载力随温度升高而降低，则载荷水平k在600 ℃时设计为0.35，0.30，0.25；500 ℃时k为0.60，0.55，0.50；400 ℃时k为0.65和0.60。每个温度、每种载荷水平下分别进行有、无喷涂防火涂料试件的试验，由引伸计记录试件500 mm标距内的总变形。

2 试验结果及分析

2.1 无喷涂防火涂料Q345钢的恒载升温试验结果及分析

由常温力学性能试验测得Q345钢的常温屈服强度σs=395 MPa[8]。通过对无喷涂试件的恒载升温试验数据进行整理，得到400 ℃、500 ℃、600 ℃时不同载荷水平下的变形-时间曲线如图4～图6所示。由图4可知，600 ℃、k=0.30时，试验达到目标温度后试件的变形速率不发生改变，当k增大到0.35时，试件在恒温过程中变形速率越来越大；由图5可知，500 ℃、k=0.55时，试验达到目标温度后试件的变形速率亦未发生改变；由图6可知，400 ℃、k=0.60时，变形速率逐渐变小，k=0.65时，试验达到目标温度后试件的变形速率突然变大。据材料屈服时其变形速率增大的特点可判断试件在400 ℃、500 ℃、600 ℃时屈服临界载荷水平k分别为0.60，0.55，0.30。

图4 600 ℃变形-时间曲线

图5 500 ℃变形-时间曲线

图6 400 ℃变形-时间曲线

恒载升温过程中，试件变形包括初始载荷变形、膨胀变形和耦合变形三部分，其中相同温度下的膨胀变形是相同的，而载荷水平又相差不大，则对应的载荷变形也近相同，因此对试件的变形速率增大起决定作用的是温度和载荷共同作用所产生的耦合变形，载荷越大，温度越高，耦合变形越大，试件越容易屈服破坏。

2.2 喷涂防火涂料Q345钢的恒载升温试验结果及分析

通过对喷涂防火涂料试件恒载升温试验数据进行整理，并将无喷涂试件的试验结果与之放在同一坐标系中，得到400 ℃、500 ℃、600 ℃时的变形-时间曲线如图7～图14所示。由图7～图14可知：有、无喷涂防火涂料的试件在升温过程的开始阶段其变形-时间曲线基本重合，但恒温后，两种工况下的曲线出现了分离现象，随着时间的延长，相互间的变形差值越来越大，且大部分试件的变形随时间的延长并没有显著增加，只有温度600 ℃时k=0.30和0.35的情况下才显著变化。

图7 600 ℃、k=0.35变形-时间曲线

图8 600 ℃、k=0.30变形-时间曲线

图9 600 ℃、k=0.25变形-时间曲线

图10 500 ℃、k=0.60变形-时间曲线

图11 500 ℃、k=0.55变形-时间曲线

图12 500 ℃、k=0.50变形-时间曲线

图13 400 ℃、k=0.65变形-时间曲线

图14 400 ℃、k=0.60变形-时间曲线

将有、无喷涂防火涂料的试件达到载荷水平、目标温度、恒温一段时间、最终变形值分别记录于表1中。由表1可知，两种工况下达载变形和达温变形相差不大，但在临界载荷水平下两者的最终变形差值较大，600 ℃(k=0.35)变形差值为0.940 mm；500 ℃(k=0.55)为0.860 mm；400 ℃(k=0.60)为0.605 mm。

试验表明，恒温一段时间后，有防火涂料的试件变形明显比没有涂料的试件变形小。由于防火涂料能有效阻止热量向试件内部传递，延缓了试件升温的时间。因此，在一定安全时间内，喷涂防火涂料可减小钢的膨胀变形和耦合变形，由此间接地影响了钢的高温力学性能，从而改善钢构件的安全性。

表1 两组变形(mm)数据对比

3 结论

通过对Q345钢在温度为400 ℃、500 ℃、600 ℃三个水平，有、无喷涂防火涂料两种工况下恒载升温的变形-时间曲线的研究，可得结论：(1)未喷涂防火涂料Q345钢在400 ℃、500 ℃、600 ℃时临界载荷水平k分别为0.60，0.55，0.30。对钢材变形速率增大起决定作用的是耦合变形，载荷越大，温度越高，耦合变形越大，试件越容易屈服破坏。(2)喷涂防火涂料Q345钢的变形比未喷涂的明显减小。喷涂防火涂料间接影响了钢的高温力学性能，由此改善了钢构件的安全性。该研究可为钢结构耐火设计及防火涂料防护效果的定量研究提供参考。

[1] 施刚,石永久,王元清.超高强度钢材钢结构的工程应用[J].建筑钢结构进展,2008,10(4):32-38.

[2] 徐文毅.轴向位移约束对工字钢短柱高温强度影响的试验研究[J].武警学院学报,2016,32(12):20-22.

[3] 王卫永,刘兵,李国强.高强度Q460钢材高温力学性能试验研究[J].防灾减灾工程学报,2012,32(5):30-35.

[4] 邢君,王跃琴,李胜利,等.建筑结构消防安全基础[M].北京:中国人民公安大学出版社,2016:10-40.

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[6] 闫兴辰.截面形式对超薄型防火涂料防火性能影响的试验研究[D].北京:北方工业大学,2015.

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(责任编辑 马 龙)

Research on Fire-proof Coating’s Impact on High Temperature Mechanical Properties of Q345 Steel

XU Wenyi

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The change of the mechanical properties of Q345 steel with or without fire-proof coating is studied when the temperature is elevated at constant load over time. The result is as following: the critical loadkof the steel without fire-proof coating is 0.60, 0.55 and 0.30 when the temperature is at 400 ℃, 500 ℃ and 600 ℃, and the decisive factor of the deforming speed is coupling deformation. That is to say, the heavier the load, the higher the temperature, the bigger the coupling deformation. As for the steel with the fire-proof coating, both the swelling deformation and the coupling deformation are smaller, thus increase the security of the steel structure.

Q345 steel; fire-proof coating; elevating temperature at constant load; high temperature mechanical property

2017-03-13

徐文毅(1968— )，女，河北廊坊人，副教授。

TG142.41；TU54+5

A

1008-2077(2017)06-0005-04